Области применения мембранных технологий

Мембраны благодаря широкому ассортименту продукции могут использоваться для решения практически любой задачи фильтрации. Кроме того, в силу их "безреагентности" (не используются адсорбирующие реагенты) и высокого качества фильтрации они имеют ряд уникальных областей применения.


Очистка воды


Очистка воды является одной из основных областей применения мембран и систем на их основе. В свое время именно достижения в области мембранных технологий подготовки особо чистой воды совместно с системами фильтрации воздуха обеспечили прорыв электронной промышленности Японии.


Задачи очистки воды можно разделить на две большие группы: водоподготовку и водоотведение.


Водоподготовка – получение воды, очищенной от бактерий, вирусов, органических загрязнений, вредных микроэлементов. Важно отметить, что водоподготовка используется как в бытовых приложениях (получение питьевой воды, очистка воды систем отопления и т.п.), так и в задачах промышленного масштаба.


В случае водоотведения речь идет о:

  • различных системах водоподготовки (на центральных и локальных водных станциях, в столовых, на пищеблоках предприятий, в больницах, поликлиниках);
  • системах обессоливания (обратный осмос, нанофильтрация, комбинированные схемы);
  • технологических процессах в различных специфических задачах промышленности (электронная промышленность, медицина, здравоохранение, энергетика).

Водоотведение – очистка сточных вод на центральных и локальных водных станциях.


Переработка промышленных отходов


Системы фильтрации водных и газовых сред на промышленных объектах сильно отличаются друг от друга для объектов химической, нефтехимической, пищевой промышленностей, предприятиях машиностроения и т.п. Для формирования состава производственных сточных вод большое значение имеют:

  • вид перерабатываемого сырья; · технологический процесс;
  • состав промежуточных и выпускаемых продуктов; · состав исходной воды,
  • местные условия и другие факторы.

На различных предприятиях даже при одинаковых технологических процессах состав производственных сточных вод, режим водоотведения и удельный расход на единицу выпускаемой продукции будут неодинаковы.


По этой причине типовых решений систем очистки и переработки промышленных отходов не существует. На одних предприятий требуется простейшая очистка воды, на других заводах необходимо разрабатывать комплексную систему очистки отходов производства с целью выделения из них ценных элементов.


промышленная мембранная водоподготовка


На этом рынке, как правило, для каждого клиента в зависимости от его потребностей подбирается индивидуальное решение. Общее требование заключается в максимальной локализации установок водоочистки на местах образования отходов с последующим их возвратом в производственный цикл. Значительную долю на этом рынке занимают проекты установки мембранных систем на электростанциях.


Главное преимущество мембранных технологий перед товарами-заменителями на этом рынке заключается в селективности и безреагентности (не влияют на химический состав фильтруемых сред, не вносят в воду вторичные загрязнения).


Ниже представлены некоторые задачи переработки промышленных отходов, решаемые с использованием мембранных систем.


1. Очистка сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты на объектах


К этому типу сточных вод относятся ливневые стоки, отработанные смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ); стоки автомоек, отработанные моющие растворы ремонтных, гальванических, покрасочных и т.п. предприятий и цехов. Часто в исходных стоках содержится крупнозернистая твердая фаза: песок, металлические и полимерные частицы. Они удаляются в отстойнике в виде осадка, а жидкая фаза поступает на механический фильтр, где освобождается от взвешенных и коллоидных частиц твердых загрязнений. Фильтрат поступает в сборник-разделитель, откуда подается в мембранный аппарат.


Для решения подобных задач обычно используют ультрафильтрационные мембраны из сильно гидрофильного материала. При гарантированной высокой линейной скорости жидкости происходит выделение пермеата, который может быть отправлен обратно в производство, и возвращение концентрата в сборник. В нем постепенно повышается концентрация масла до состояния, когда оно из эмульсии переходит в сплошную фазу – слой нефтепродуктов на поверхности воды. Этот слой удаляется и поступает на сжигание.


2. Очистка сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов


К этому типу относятся промывные сточные воды гальванических производств, шахтные стоки, жидкие радиоактивные отходы.


Гальванические покрытия используются практически во всех отраслях промышленности. В Российской Федерации сегодня существует около 7000 таких цехов (только в Москве более 300 гальванических цехов и участков, производств печатных плат электронной техники).


Гальванические производства являются одним за самых крупных потребителей цветных металлов. С одной стороны, это приводит к высокой концентрации нейтральных солей в сточных водах и необходимости их очистки, с другой стороны – к необходимости возврата части ценных элементов в производственных процесс. Подсчитано, что ежегодно для промывки изделий после гальванических покрытий расходуется не менее 650 млн. тонн чистой воды. При этом из рабочих ванн выносится не менее 3300 тонн цинка, 2400 тонн никеля, 2500 тонн меди, десятки тысяч тонн других металлов, кислот и щелочей. Другой источник загрязнения и ценных металлов – сбросы отработанных рабочих растворов.


В подобных случаях используется многоступенчатый процесс, заканчивающийся ультрафильтрацией. Обычно процесс проходит в периодическом режиме, когда после длительного этапа накопления концентрата в сборнике до предельно возможного уровня его сразу весь передают на последующую переработку (выделение металлов) или подготовку к длительному хранению.


3. Очистка стоков, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ)


ПАВ – низкомолекулярные соединения, используемые в процессе мойки и стирки для снижения поверхностного натяжения воды. Снижение поверхностного натяжение позволяет облегчить либо

растворение молекул загрязнений в воде, либо переход их в воду в виде эмульсий и взвесей. Эти сточные воды помимо ПАВ содержат также различные загрязнения, которые отмылись с твердых поверхностей (высокомолекулярные и коллоидные частицы): белки, полисахариды, микроорганизмы, жиры, нефтепродукты, оксиды металлов и т.п.


Благодаря разделительным свойствам мембран возникает возможность почти полностью вернуть ПАВ на повторное использование.


4. Очистка сточных вод, содержащих белковые соединения


Сточные воды, содержащие белковые соединения, образуются в перерабатывающей и биотехнологической промышленности: молочная сыворотка после выделения творога и сыра; бульоны после варки рыбы при производстве рыбной муки; культуральные жидкости после выделения из них продуктов микробного синтеза, барда после отгонки спирта из бражки. Такие стоки обладают следующими особенностями:

  • белковые соединения имеют очень большую молекулярную массу, но концентрация их в сточных водах низка для того, чтобы выделять их нагреванием или высаливанием;
  • все белки являются ценной пищевой или кормовой добавкой;
  • как правило, остальные компоненты стоков (органические и минеральные соединения) имеют малые молекулярные массы.

Ярким примером очистки является переработка сточных вод сыроваренных заводов. Сыр представляет собой денатурированный молочный белок (казеин), который практически полностью утилизируется. Но параллельно с казеином в молоке содержатся так называемые сывороточные белки, пищевая ценность которых гораздо выше, чем у казеина. Они остаются в растворе, т. е. в сыворотке, и до появления мембранных процессов весь поток целиком сбрасывался в канализацию. Сегодня сывороточные белки улавливаются в ультрафильтрационном концентрате и используются для изготовления продуктов питания.


водоподготовка в медицине


Биотехнологии и медицина


Мембранные технологии в области биотехнологий и медицине получили распространение для решения задач, связанных со стерилизацией препаратов и растворов, получением абсолютно чистой воды, сбором клеточных структур, очисткой и концентрированием биологически активных веществ и лекарственных препаратов, процедурами в области переливания крови и генной инженерии.


Большая часть мембран, применяемых в различных лабораторных исследованиях, являются одноразовыми.


С использованием мембран, в частности, производят ряд лекарственных препаратов (используется микрофильтрация на керамических мембранах):

  • рибофлавин – один из наиболее важных водорастворимых витаминов, кофермент многих биохимических процессов;
  • эритромицин (антибиотик);
  • витамин В2 (используется нанофильтрация); · лизин (аминокислота);
  • ферменты (белковые комплексы, ускоряющие реакции в живых системах).

Пищевая промышленность


В пищевой промышленности мембранные технологии (полимерные и керамические мембранные фильтры) используются как для решения типичных задач водоподготовки (производство бутилированной воды и продукции на ее основе) и очистки отходов производства, так и в специфических задачах при производстве молочных продуктов, вина, фруктовых и овощных соков, пива, сахара, кофе, мясных и мучных изделий. С помощью мембран производят извлечение белков и лактозы из молочной сыворотки, стерилизацию, концентрирование, осветление, обессоливание и другие операции.


1. Водоподготовка при производстве пива


При производстве пива важное значение имеет степень очистки воды от посторонних примесей, микроорганизмов, железа и солей. На крупных производствах с этой целью устраиваются многоступенчатые системы очистки, состав которых зависит от качества местной воды.


В небольших пивоваренных установках с объемом водопотребления 5-6 куб.м в сутки могут использоваться микрофильтрационные блоки с керамическими мембранами совместно с блоком умягчения воды. Использование микрофильтрации необходимо в случаях, когда в артезианской воде имеется повышенное содержание микроорганизмов, а также железа.


2. Молочная промышленность


Мембранные системы фильтрации используются в следующих процессах:

  • предварительное концентрирование белков в молоке для производства традиционных видов сыров;
  • значительное изменение соотношения между белками и другими компонентами для создания новых видов сыров;
  • нормализация молока по белку для обеспечения однородности и воспроизводимости свойств получаемого сыра независимо от сезонности;
  • выделение сывороточных белков из сыворотки с целью получения белковых концентратов и лактозного раствора.

При переработке молочного сырья чаще всего применяется ультрафильтрация. Ультрафильтрации подвергают цельное молоко, обезжиренное молоко, предварительно сквашенное молоко, а также сыворотку.


Вместе с тем мембранные технологии имеют и ограничения к применению в пищевой промышленности. В частности, отмечается, что применение мембранных элементов с высокой тонкостью фильтрации может привести к ухудшению органолептических вкусовых качеств при фильтровании ликеров, коньяков и безалкогольных напитков, а также других пищевых продуктов.


Химическая промышленность


В химической промышленности у мембранных технологий также огромное многообразие сфер применения:

  • разделения, очистка, изменение концентрации жидких смесей; · проведение различных лабораторных исследований;
  • выделение всевозможных летучих веществ.

Керамические фильтры и полимерные мембраны используются в процессе производства хлора и каустика, при концентрировании химикатов, для регенерации и очистки растворителей, моющих растворов и масел, для селективного выделения ионов металлов.


В химической промышленности часто используются неорганические мембраны (керамические, металлические, стеклянные и т.п.), т.к. они в наименьшей степени подвержены воздействию агрессивных сред нежели полимерные мембраны и имеют большую долговечность.


Как и в области биотехнологий и медицины, в химической промышленности при проведении лабораторных исследований часто используются одноразовые мембраны.


Для работы в агрессивных средах применяют керамические фильтры, которые выдерживают резкие колебания температуры и различные значения кислотности среды.


Разделение газовых смесей


Мембраны начали активно использоваться в задачах разделения газовых сред с конца 70-х годов прошлого века. Этот способ разделения газов разрабатывался как альтернатива дорогим и сложным технологиям криогенного и адсорбционного газоразделения.


Современная полимерная газоразделительная мембрана представляет собой полое волокно, на верхнюю поверхность которого нанесен газоразделительный слой. Толщина этого слоя не превышает 0.1 мкм, благодаря чему удельная проницаемость газов через полимерную мембрану является высокой


Мембраны для разделения газовых сред используются преимущественно для решения следующих задач:

  • выделение углекислого газа при добыче природного и нефтяного газов;
  • обогащение кислородом воздуха для медицинских и производственных целей;
  • создание регулируемой газовой среды для хранения сельскохозяйственной продукции;
  • нефте- и газопереработка: выделение гелия, водорода, аммиака, углеводородов, оксидов углерода и других газов из газовых смесей.

Приоритетный газ для получения в мембранной фильтрации – водород.


Газ, поступающий в мембранный модуль, проходит сначала через фильтры, потом вдоль мембраны. На выходе получается два разделенных потока: остаточный газ (ретентат) и проникший поток (пермеат). В зависимости от поставленной задачи продуктом является один из этих потоков. Например, в случае разделения воздуха, остаточный поток – это газообразный осушенный азот, а в случае концентрирования водорода – это проникший водород.


Другие области применения


Как уже отмечалось, мембраны могут применяться практически в любых задачах фильтрации: от простейших лабораторных одноразовых фильтров – до сложных многоступенчатых систем фильтрации на промышленных предприятиях или системах обессоливания воды. Вместе с тем основной объем мембран потребляется в перечисленных выше шести областях, особенно в задачах фильтрации жидких сред.


Если статья была полезной для Вас - поделитесь с друзьями и коллегами. Нам будет приятно, а другим читателям полезно и интересно. Спасибо.